基于Vivado环境的智能照明控制系统设计

顾 涵，刘 靖，卢 怡

(常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500)

基于Vivado环境的智能照明控制系统设计

顾 涵，刘 靖，卢 怡

(常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500)

基于Vivado环境设计一种智能照明控制系统.系统可应用于楼道内外照明，由照明模块、火灾报警模块、风光互补供电模块及无线遥控模块构成，控制核心FPGA芯片能够对不同环境数据进行实时处理并作出响应，实现智能化控制，达到节约能源的目的.本设计能够实现数据集中采集与控制，该系统响应速度快，稳定性高，有着广泛的实际应用前景.

Vivado环境 ；智能照明 ；控制 ；系统

基于Vivado环境[1]采用FPGA芯片作为控制核心，软件编程采用VHDL语言实现智能照明控制系统.该系统能够有效提高照明系统的管理和控制水平，减少照明系统的维护成本，实现节约能源的目的，与社会倡导的“节能减排，绿色生活”主题相符.该系统采用多种类型传感器进行数据采集并传送给FPGA芯片综合处理，响应速度快，稳定性高，具有一定的推广和应用价值.

1 Vivado环境简介

Vivado是Xilinx[2]公司在2014年底推出的一种集成设计开发环境，它不是传统ISE软件的升级版，而是一种全新的高端Xilinx FPGA开发工具.Vivado可以按照人们的要求来定制设计和测试环境，在选项中去掉了ISE原有的 XST、Core-Generator等工具，增加了一些数据模型伸缩工具，可以有效地评估设计过程中不同阶段的时间损耗和资源占用，实现了预分析、自动化控制、优化仿真、时钟瞬时响应等综合功能.可以预测，基于Vivado环境的系统开发在将来一定会得到广泛的应用.本设计采用的basys3-FPGA[3-4]开发板，如图1所示.基于Vivado环境围绕Xilinx Artix@-7 FPGA芯片XC7A35T-1CPG236C搭建硬件开发平台.

图1 basys3-FPGA开发板

2 设计方案

系统方案如图2所示，主要由照明、火灾报警、风光互补供电及无线遥控模块构成，FPGA芯片作为控制核心，连接了光敏传感器、人体热释红外传感器、光电传感器、火焰传感器[5-6]、烟雾传感器等，能够根据光线强弱实现实时照明，根据个人需求进行环境灯光调节，发生火灾及时报警、太阳能供电等功能.

2.1 系统硬件设计

室内照明模块，用光敏传感器采集环境光照强度，实现灯的强弱控制；室外照明模块模拟室外路灯照明环境，当光电传感器检测到有人走过后，中间的路灯会自动打开；当红外传感器检测到人离开后，路灯会自动熄灭，实现节约能源的目的.同时还开发了一些附加功能，如当检测到烟雾时会进行火灾报警，当检测到有陌生人进入室内时会进行防盗报警等.

图2 系统方案图

2.1.1 照明模块

1) 自然环境照明.光敏电路原理如图3所示，N1为光敏电阻，LM393为电压比较器，光敏传感器采集光照强弱模拟电压量，经AD转换后传送给FPGA芯片进行处理，实时控制灯的开关来保证室内有充足的光线，具体控制为：当光照强度小于10 000 lux时，光敏传感器控制室内2路灯打开；当光照强度小于10 lux时，光敏传感器控制室内4路灯打开；当光照强度小于0.01 lux时，光敏传感器控制室内6路灯打开.一般情况夏日阳光下光照强度为100 000 lux[7-8]；阴天室外为10 000 lux；黄昏室内为10 lux；夜间室内为0.01 lux；烛光(20 cm远处)为10～15 lux.

图3 光敏电路原理图

2) 夜间紧急照明.夜间有紧急情况发生需要起床时，无需手动开灯，可自动实现照明功能.当人体热释红外传感器感应到人靠近时，FPGA芯片会根据光照强弱及采集到的传感器输出电压量的变化来自动控制灯的开关，同时可根据设置的延时时间来控制灯的自动关闭.此照明模块也可应用于壁橱内灯，当打开壁橱后，灯会自动开启提供照明.

2.1.2 火灾报警模块

发生火灾时，当FPGA芯片检测到烟雾传感器或火焰传感器采集信号后，会控制蜂鸣器发出报警鸣叫，提醒用户及时逃离，减少人员伤亡.电路原理如图4所示，当QM-N10检测到周围环境中不含粉尘或浓度较小时，A、B两点间的电阻较小，流经两个点的电流较大，B点呈现低电位，LED灯不导通，蜂鸣器不工作；当QM-N10监测到周围环境中粉尘浓度增大时，A、B两点间的电阻变大，流经两点的电流会变小，B点呈现高电位，LED灯导通，蜂鸣器正常工作发出报警鸣叫.

图4 烟雾传感器电路原理图

2.1.3 风光互补供电模块

系统安装风力发电机和太阳能电池，电能存储在蓄电池中为整个系统供电.原理如图5所示，模块主要由风力发电机、太阳能电池、风光互补控制器和蓄电池组成[9]，当控制器检测到蓄电池中电压小于12 V时，会自动控制供电源与蓄电池连接为蓄电池充电；当检测到蓄电池电压高于14 V时，会自动控制供电源与蓄电池断开停止充电.

2.1.4 无线遥控模块

无线遥控采用BTH-801F/801J红外发射接收模块，模块工作电压为4～8 V，发射模块工作电流为20 mA，接收模块工作电流为3 mA，工作频率为30～60 kHz，有效传输距离可达10 m.原理图如图6所示，发射模块可由6 V的电源及100 µF的电容并联组成充放电振荡电路，接收模块的放大部分可采用共射极三极管放大电路，模块电路接收灵敏度高，数据传输稳定，应用范围较为广泛.

2.2 系统软件设计

系统软件编程采用VHDL语言.由于程序较多，主要对功能实现的主流程进行分析，主流程图如图7所示，可以分为4步：系统上电初始化；系统内部分频为计数计时提供基准时钟；采集各传感器的电压输出量并进行AD转换，转换芯片采用自带的12位模数转换器 (XADC)；根据采集数据作出实时响应，如烟雾报警处理、灯光控制等.系统软件采用模块化的设计方法，调试周期短，可移植性强，性能稳定.

图5 风光互补供电模块原理图

图6 无线遥控模块原理图

图7 主流程图

3 功能调试结果

采用basys3-FPGA开发板基于Vivado环境搭建硬件实物，功能测试以室内灯光控制为例，如图8所示，测试结果为：当环境测试光强小于10 000 lux时，光敏传感器控制室内2路灯打开；当测试光强小于10 lux时，光敏传感器控制室内4路灯打开；当测试光强小于0.01 lux时，光敏传感器控制室内6路灯打开；夜间有人活动时，会自动开启室内灯提供照明，功能实现符合预期设计效果.

图8 系统实物图

4 结论

基于Vivado环境采用FPGA芯片作为控制核心，软件编程采用VHDL语言设计智能照明控制系统.该系统能够有效提高照明系统的管理和控制水平，减少照明系统的维护成本，实现节约能源的目的.系统响应速度快、稳定性高，具有一定的推广和应用价值.

[1] 潘松，黄继业.EDA技术实用教程[M].北京：科学出版社，2012：56.

[2] 林敏，方颖立.VHDL数字系统设计与高层次综合[M].北京：电子工业出版社，2014：125.

[3] 王振红.VHDL数字电路设计与应用实践教程[M].北京：机械工业出版社，2013：78.

[4] 詹杰，吴伶锡，唐志军.基于ZigBee的智能照明控制系统设计与实现[J].电力电子技术，2014，41(10)：25-26.

[5] 王开军，姜宇柏.面向CPLD/FPGA的VHDL设计[M].北京：机械工业出版社，2015：46.

[6] 彭军.传感器与检测技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2013：85.

[7] 张云洲.基于C-Bus总线的智能照明控制系统设计[J].控制工程，2008，15(2)：182-184.

[8] 谢自美.电子线路设计、实验、测试[M].武汉：华中理工大学出版社，2013：128.

[9] 顾涵，孙健，胡绍旋，等.一种风光互补供电的智能窗控制系统设计[J].苏州市职业大学学报，2015，26(1)：23-25.

(责任编辑：沈凤英)

The Design of Intelligent Lighting Control System Based on Vivado

GU Han，LIU Jing，LU Yi
(School of Physics and Electronic Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China)

Intelligent lighting control system is designed based on Vivado-environment. The system can be applied to corridor lighting inside and outside，which includes lighting module，fire alarm module，wind-light complementary power supply module and wireless control module.The control core of FPGA can deal with different environmental data in real time， which realizes the intelligent control and achieves the purpose of saving energy. The design can achieve centralized data acquisition，which has faster response speed and higher stability with a broad application prospect.

Vivado-environment；intelligent lighting；control；system

TP206+.1

A

1008-5475(2016)04-0009-03

10.16219/j.cnki.szxbzk.2016.04.003

2016-07-05；

2016-08-04

国家自然科学基金资助项目(11274054)；常熟理工学院科研资助项目(QZ1508)

顾 涵(1985-)，男，江苏苏州人，讲师，硕士，主要从事集成电路设计研究.

顾涵，刘靖，卢怡.基于Vivado环境的智能照明控制系统设计[J].苏州市职业大学学报，2016，27(4)：9-11.